(57)【要約】【課題】燃料電池の有する電圧変動が大きいという特性を活かしながら、負荷に電力を供給するものであって、該電力供給時に燃料電池における発電効率の維持ができ、かつ電極劣化を抑制できる燃料電池発電システムを得る。【解決手段】燃料電池で発電した直流電力を、電力変換器で一定の交流電力及び又は一定の直流電力に変換して交流負荷又は直流負荷に供給すると共に、前記燃料電池と前記電力変換器の電気的接続部において、前記燃料電池に対して電気的に並列にコンデンサを接続し、前記燃料電池及び又は前記コンデンサで得られる電力に基づいた電力を、前記交流負荷及び又は前記直流負荷に、前記コンデンサの容量に見合った時間に限って、前記燃料電池の定格出力以上の過負荷需要に対応することで常時供給可能にしたことを特徴とする燃料電池発電システム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池で発電した直流電力を、電力変換器で一定の電力に変換して対応する負荷に供給すると共に、前記燃料電池と前記電力変換器の電気的接続部である直流回路において、前記燃料電池に対して電気的に並列にコンデンサを接続し、前記燃料電池及び又は前記コンデンサで得られる電力に基づいた電力を、前記負荷に、前記コンデンサの容量に見合った時間に限って、前記燃料電池の定格出力以上の過負荷需要に対応することで常時供給可能にしたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記燃料電池の出力電圧安定制御、並びに出力電流制御、及び又は前記コンデンサの充放電制御並びに電圧安定制御を一切行わず、前記燃料電池と前記電力変換器の電気的接続部である直流回路を、前記燃料電池の無負荷電圧から定格電圧以下までの範囲において、前記負荷の変動があっても前記燃料電池及び又は前記コンデンサの電気的特性をそのまま活かし、前記燃料電池と前記コンデンサの出力分担又は前記コンデンサの充放電を成り行き任せで受動的に運用することを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記電力変換器は、この入力直流電圧を前記燃料電池の無負荷電圧から定格電圧以下までの範囲において運用可能とし、かつ一定の交流電圧及び又は一定の直流電圧を出力する手段を追加したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池発電システム。    
【請求項４】
前記燃料電池の発電電力が前記負荷の負荷需要よりも定常的に低く、かつ前記電力変換器の入力直流電圧が前記燃料電池の定格出力電圧よりも低下して前記コンデンサからの放電電力がなくなったとき、交流電力系統の交流電力をコンバータにより直流電力に変換し、この変換された直流電力を前記燃料電池の定格出力にバックアップ用として追加し、前記電力変換器への入力電力を確保するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記コンデンサの電圧が前記コンバータの出力電圧より低いとき、前記コンバータに有する垂下又はフの字電流−電圧特性を利用し、前記コンデンサを充電し、前記コンデンサを充電するためのコンデンサ充電装置を使用しないことを特徴とする請求項４記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記コンバータの出力電圧を設定可能な手段を追加したことを特徴とする請求項４又は請求項５記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記負荷が複数個ある場合であって、各交流負荷及び又は各直流負荷を予め優先順位分けし、少なくとも該優先順位の高い負荷に電力供給を行う負荷選択手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記負荷の定格入力電圧が、前記交流電力系統の交流電圧と等しい場合であって、
所定の条件が成立するとき、前記交流電力系統を前記負荷に電気的に直接接続する手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
燃料電池により得られる直流電力を、負荷に対応する電力に変換する電力変換器を備え、
前記燃料電池と前記電力変換器の間の電気的接続部である直流回路に、交流電力系統の交流電力を直流電力に変換する交流一直流コンバータを並列に接続し、
前記直流回路であって前記燃料電池と前記電力変換器との接続部に並列にコンデンサを接続し、
前記直流回路であって前記燃料電池と前記コンデンサとの接続部に直列に、該直流回路を開閉する開閉手段を設け、
前記電力変換器の入力側と前記開閉手段との接続点と、前記コンデンサと前記コンバータとの接続点の間であって、前記コンデンサの放電電流が前記電力変換器を介して負荷に流れるようにすると共に、前記燃料電池から前記コンデンサへの充電電流が流れないようにする逆流防止手段を設け、
前記燃料電池及び又は前記コンデンサで得られる電力に基づいた電力を、前記電力変換器により変換して前記負荷に、前記燃料電池の立ち上げ時を除き常時供給可能にし、
前記負荷の過去の電気使用量のデータ又は前記負荷の電気使用量の推定値に基き前記開閉手段の開閉制御を行い前記コンデンサの充電電圧を制御する制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１０】
燃料電池により得られる直流電力を、負荷に対応する電力に変換する電力変換器を備え、
前記燃料電池と前記電力変換器の間の電気的接続部である直流回路に、交流電力系統の交流電力を直流電力に変換する交流一直流コンバータを並列に接続し、
前記交流一直流コンバータと前記電力変換器の電気的接続部である直流回路に該直流回路に流れる出力電流を任意に設定可能であって、起動停止制御可能な定電流回路を設け、
前記直流回路であって前記定電流回路と前記電力変換器との接続部に並列にコンデンサを接続し、
前記燃料電池と前記電力変換器の間の接続回路を開閉する第１の開閉手段を設け、
前記定電流回路と前記交流―直流コンバータの接続点及び前記第１の開閉手段と前記燃料電池との接続点間を接続する回路を開閉する第２の開閉手段を設け、
たことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１１】
前記定電流回路と前記コンデンサの接続点及び前記第１の開閉手段と前記電力変換器の接続点との間の回路に、該回路を開閉する第３の開閉手段と逆流防止手段からなる並列回路を、
更に備えたことを特徴とする請求項１０記載の燃料電池発電システム。
【請求項１２】
前記燃料電池の発電電圧、前記コンデンサの電圧の状態、つまり負荷電流の状態を監視することにより、前記第１及び第２の開閉手段、前記定電流回路の出力電流や起動停止、及び前記コンバータの出力電圧及び又は前記第３の開閉手段に対して制御指令を与える制御手段と、
を更に備えたことを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１３】
前記負荷が、前記燃料電池の定格電力未満で前記燃料電池の発電電圧が前記電力変換器の入力電圧の範囲内、或いは前記燃料電池の発電電圧が一定電圧を超えないとき、  前記制御手段は、前記第２の開閉手段に対して開路指令を与えると共に前記第１の開閉手段に対して閉路指令を与え、また前記制御手段は前記第３の開閉手段に対して閉路指令を与え、前記負荷の変動があり前記負荷が重くなったとき前記制御手段は前記コンデンサの電圧が低下しないように前記定電流回路の出力定電流値を増やし、前記負荷の変動がないか、前記負荷の変動があっても負荷が軽くなっているとき、前記制御手段は前記定電流回路の出力電流をオフにし、
また前記負荷が前記燃料電池の定格電力未満で前記燃料電池の発電電圧が前記電力変換器の入力電圧の範囲、或いは前記燃料電池の発電電圧が一定電圧を超えそうなとき、前記制御手段は前記第２の開閉手段に対して閉路指令を与え、かつ前記第１の開閉手段に対して開路指令を与え、また前記制御手段は前記第３の開閉手段に対して閉路指令を与え、これにより前記定電流回路から前記電力変換器に対して負荷電流と同等の出力電流を流し、前記電力変換器等の直流回路に接続されている機器の入力電圧を一定電圧以上上げないことを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池で発電した電力を電力変換器により変換して負荷に供給するものであって、前記燃料電池にコンデンサを並列に接続し、前記燃料電池及び又は前記コンデンサからの電力を前記負荷に供給できるようにした燃料電池発電システム（電力供給システム）で、主に家庭用もしくは業務用燃料電池システムや非常用燃料電池発電システムに関する。  
【背景技術】
【０００２】
家庭用もしくは業務用燃料電池システムにおいて、燃料電池は負荷変動に対して出力電圧の変動が大きいため、燃料電池からの直流電力を直流―直流コンバータ等により安定した電圧にして使用している。この燃料電池等の電力を負荷に供給するために、一般的に商用電源と交流的に連系させて供給するようにしている。  
このように交流的に連系する場合、逆潮流を防止することや電力系統が停電したときは単独運転を防止する必要があり、保護継電器や単独運転検出装置を設けて異常時は電力系統から開放するようにしている。
【０００３】
また、燃料電池の出力は直流であるため、交流と連系し交流負荷に電力を供給する場合は、直流を交流に変換するインバータが必要で、このインバータは電圧、周波数、位相を商用電源と同期させる必要がある。
【０００４】
一方、本発明の構成と類似する発明として、特許文献１に記載された無停電電源システムがある。これは、交流電源の交流電圧を直流電圧に変換する整流装置と、この整流装置に接続された、例えば電気二重層コンデンサのごときコンデンサからなる電力蓄積装置と、運転信号を受けることにより起動して直流電圧を出力する燃料電池と、前記整流装置、前記電力蓄積装置、及び燃料電池に接続され、前記整流装置の出力、又は前記電力蓄積装置の電力、又は前記燃料電池の出力を交流電力に変換するインバータと、前記交流電源の故障又は前記電力蓄積装置の電圧低下を検出し、その検出時に前記燃料電池に対する運転信号を発する検出手段とを具備し、前記インバータの出力を前記負荷に供給する交流無停電電源システムである。
【特許文献１】特開２０００−３４１８７９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池発電システムは、電気的な観点からすると、システムの起動停止や急激な負荷変動は燃料電池の寿命を短くする大きな要因と考えられている。例えば、負荷が変動し、大きな電流が必要になったとき、燃料の急激な需要により燃料が欠乏した場合には燃料極で水電解が起き、燃料極の腐食が進行することにより電極が劣化することが知られている。
【０００６】
ところが、例えば家庭用燃料電池発電システムにおいては、一日の電力需要は多いときと少ないときでかなり大きな差がある。
【０００７】
また、燃料の水素を生成するのに改質装置を使用しているときは、さらに負荷変動に対して追従性が悪く、燃料の供給が追いついていかないという問題がある。ところが、燃料電池の電圧を安定させる電圧安定装置例えば電力変換器などを付加しただけでは、負荷変動による寿命の劣化は抑えられない。
【０００８】
また、電圧安定装置と電流制御装置を付加したシステムが考えられ、性能の劣化抑制には効果があるが、システムが高価になる、或いは効率が低下するなどの問題がある。
【０００９】
一方、燃料電池等の分散型電源を交流電源系統に交流的に系統連系するシステムにあっては、高調波や電圧フリッカなどの問題があり、また逆潮流監視等の保護継電器や系統と同期運転を行い、かつ単独運転を検出する機能を持った例えば系統連系用インバータが必要になり、システムが高価になるなどの問題がある。
【００１０】
本発明と類似した構成の発明である、特許文献１を挙げたが、この発明は上記課題を解決するものではなく、後述するようにシステムとしての違いも明らかである。
【００１１】
さらに、無停電電源では系統電源が正常であるときは、使用していないため維持費や定期的な点検が必要となり、余分な費用が必要である。
【００１２】
本発明は、以上のような問題点を改善するためなされたもので、燃料電池の負荷変動に対する電圧変動が大きいという特性を活かしながら、負荷の平準化を行わせること、家庭用燃料電池システムのように電力需要がかなり大きく変動するとき、コンデンサや燃料電池の容量を増やさず、単独運転検出などの交流的な連系で必要であった機能や問題を無くすことができる燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記目的を達成するため請求項１に対応する発明は、燃料電池で発電した直流電力を、電力変換器で一定の電力に変換して対応する負荷に供給すると共に、前記燃料電池と前記電力変換器の電気的接続部である直流回路において、前記燃料電池に対して電気的に並列にコンデンサを接続し、前記燃料電池及び又は前記コンデンサで得られる電力に基づいた電力を、前記負荷に、前記コンデンサの容量に見合った時間に限って、前記燃料電池の定格出力以上の過負荷需要に対応することで常時供給可能にした燃料電池発電システムである。
【００１４】
前記目的を達成するため請求項２に対応する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前記燃料電池の出力電圧安定制御、並びに出力電流制御、及び又は前記コンデンサの充放電制御並びに電圧安定制御を一切行わず、前記燃料電池と前記電力変換器の電気的接続部である直流回路を、前記燃料電池の無負荷電圧から定格電圧以下までの範囲において、前記負荷の変動があっても前記燃料電池及び又は前記コンデンサの電気的特性をそのまま活かし、前記燃料電池と前記コンデンサの出力分担又は前記コンデンサの充放電を成り行き任せで受動的に運用する請求項１記載の燃料電池発電システムである。
【００１５】
前記目的を達成するため請求項３に対応する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前記電力変換器は、この入力直流電圧を前記燃料電池の無負荷電圧から定格電圧以下までの範囲において運用可能とし、かつ一定の交流電圧及び又は一定の直流電圧を出力する手段を追加した請求項１又は請求項２記載の燃料電池発電システムである。    
前記目的を達成するため請求項４に対応する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前記燃料電池の発電電力が前記負荷の負荷需要よりも定常的に低く、かつ前記電力変換器の入力直流電圧が前記燃料電池の定格出力電圧よりも低下して前記コンデンサからの放電電力がなくなったとき、交流電力系統の交流電力をコンバータにより直流電力に変換し、この変換された直流電力を前記燃料電池の定格出力にバックアップ用として追加し、    前記電力変換器への入力電力を確保するようにした請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の燃料電池発電システムである。
【００１６】
前記目的を達成するため請求項５に対応する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前記コンデンサの電圧が前記コンバータの出力電圧より低いとき、前記コンバータに有する垂下又はフの字電流−電圧特性を利用し、前記コンデンサを充電し、前記コンデンサを充電するためのコンデンサ充電装置を使用しない請求項４記載の燃料電池発電システムである。
【００１７】
前記目的を達成するため請求項６に対応する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前記コンバータの出力電圧を設定可能な手段を追加した請求項４又は請求項５記載の燃料電池発電システム。
【００１８】
前記目的を達成するため請求項７に対応する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前記負荷が複数個ある場合であって、各交流負荷及び又は各直流負荷を予め優先順位分けし、少なくとも該優先順位の高い負荷に電力供給を行う負荷選択手段を備えた請求項１乃至６のいずれか１項記載の燃料電池発電システムである。
【００１９】
前記目的を達成するため請求項８に対応する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前記負荷の定格入力電圧が、前記交流電力系統の交流電圧と等しい場合であって、
所定の条件が成立するとき、前記交流電力系統を前記負荷に電気的に直接接続する手段を備えた請求項１乃至７のいずれか１項記載の燃料電池発電システム。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、燃料電池の出力に直接並列にコンデンサを接続することにより、燃料電池の負荷変動に対する電圧変動が大きいという特性を活かしながら、負荷の平準化を行わせて燃料電池の劣化を抑制すること、家庭用燃料電池システムのように電力需要が大きく変動するとき、コンデンサや燃料電池の容量を増やさず、また電力系統からコンバータを介してバックアップすること、さらに電力系統とは直流的に連系することにより、単独運転検出などの交流的な連系で必要であった機能や問題を無くすことができる燃料電池発電システムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。始めに、図１を参照して本発明の概要について説明する。燃料電池６の発電電力を、直流（ＤＣ）―交流（ＡＣ）インバータ３及び又は直流（ＤＣ）―直流（ＤＣ）コンバータ５０により交流電力及び又は直流電力に変換し、この変換された交流電力及び又は直流電力を交流負荷４（複数の交流負荷４１、４２、４３の総称）及び又は直流負荷０４（複数の直流負荷０４１、０４２の総称）に供給するものであって、燃料電池６とインバータ３の間の直流回路（直流区間）に、コンデンサ５及び交流電力系統(以下単に系統と称する)１の交流電力を直流電力に変換する交流（ＡＣ）―直流（ＤＣ）コンバータ２をそれぞれ電気的に並列に接続し、燃料電池６の立ち上げ時を除き、燃料電池６及び又はコンデンサ５で得られる電力に基づいた電力を交流負荷４及び又は直流負荷０４に供給可能にした燃料電池発電システムである。
【００２２】
また、系統１と交流負荷４１、４２、４３との間及び又はインバータ３と交流負荷４１、４２、４３との間に、交流負荷選択手段(直送・燃料電池発電システム交流負荷切換手段)６１、例えば複数の交流負荷選択スイッチ(直送・燃料電池発電システム交流負荷切換スイッチ)６１１、６１２、６１３は例えば各負荷４１、４２、４３に対応して設けられている。各スイッチ６１１、６１２、６１３は、いずれも
常開端子ａと、常閉端子ｂと、共通端子ｃとを有し、これらの常開端子ａと、常閉端子ｂとの切換は次の状態に応じて、後述するコントローラ又は手動操作により行われる。
【００２３】
すなわち、系統異常時には、燃料電池６の定格電力以下になるように、負荷４の優先性を考慮しながら各スイッチ６１１、６１２、６１３を用いて順次切り離すためのものである。さらに燃料電池６が異常時には購入契約電力以下になるように優先（重要な負荷）順にスイッチ６１１、６１２、６１３を系統側に切り換えて優先順の高い負荷への電力の継続供給を確保するために使用する。この場合、各スイッチ６１１、６１２、６１３に接続されている負荷は複数の負荷（負荷ブロック）であってもよい。また常開端子ａと常閉端子ｂは、ここでは常開端子ａが系統側に、常閉端子ｂがシステム側に接続されているが、制御や安全面からこの逆であってもよい。
【００２４】
ここでは交流負荷選択スイッチ６１１、６１２、６１３は全て各負荷あるいは複数の負荷に対して燃料電池発電システムと系統を切り換えるスイッチにしているが、代わりに単なるスイッチを入れ、系統とそのスイッチの問、あるいはインバータ３とスイッチ６１１、６１２、６１３の間に直送・燃料電池発電システム電源切り換え手段を入れて負荷全部に対して系統と燃料電池発電システムを切り換えるようにしても良いし、またその混在型にしてもよい。
【００２５】
また、コンバータ５０と直流負荷０４１、０４２の間に、直流負荷切離手段６０例えば複数の直流負荷切離スイッチ６０１、６０２が設けられている。
【００２６】
さらに、コンデンサ５と燃料電池６の接続点に、燃料電池切離スイッチ７及び逆流防止ダイオード９が直列に接続されている。燃料電池切離スイッチ７は、燃料電池側が故障などの停止時に開路する。また、システム初期などコンデンサ５の蓄電量が少なく、直流回線区間の電圧が低いときは燃料電池切離スイッチ７を開いてコンバータ２側からコンバータ２の過電流特性、いわゆる”フの字”特性或いは垂下特性などの過電流制限機能を利用しコンデンサを充電する。コンデンサ５の電圧がシステム動作電圧以上になった後燃料電池６を起動し、燃料電池電圧が定格電圧以上、コンデンサ５の電圧とほぼ等しくなってから同スイッチ７を閉じて燃料電池６を直流回路に接続するものである。逆流防止ダイオード９はコンバータ２やコンデンサ５からの電流が燃料電池６に流れるのを防止するためのものである。
【００２７】
燃料電池６としては、例えば固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を使用する。コンバータ２は、”フの字”特性或いは垂下特性などの過電流制限機能を有しており、直流出力電圧が固定であっても制御によって設定が可能なものであってもよい。
【００２８】
ここで、コンデンサ５としては、例えば電気二重層コンデンサを使用し、これは短時間の大容量負荷に対応することが可能であり、かつ燃料電池６の急峻な負荷変動に伴う性能劣化及び燃料電池６の効率低下を防止することを主な目的で使用する。なお、コンデンサ５の蓄電容量が、コンデンサ５に印加される電圧の二乗に比例するため、例えばコンデンサ５の定格電圧付近から５０％くらいのところまで、使用できるとすると、コンデンサ５に蓄えられている充電エネルギーの７５％が利用可能であり、コンデンサ５の電圧の変動を利用することにより大きなエネルギーを取得利用できることになる。
【００２９】
従って、性能劣化防止のためには、僅かな容量（極端には通常のコンデンサ）でよく、大容量負荷への供給時間のニーズに応じて容量を増加させればよい。
【００３０】
また、燃料電池６が接続されている直流回路にコンバータ２を介して系統１が接続されているのは、燃料電池６からの出力電力が不足する場合でコンデンサ５の貯蔵電力が失われていって、ある一定電圧以下例えば燃料電池６の定格電圧になったとき、最終的に電力供給を間に合わせるバックアップ的要素を得るためのものである。
【００３１】
ここで、交流負荷選択スイッチ６１１、６１２、６１３は、電力系統と燃料電池発電システムの出力選択を行う切換スイッチで、半導体式であっても接点式であってもよく、また無瞬断切替方式にしてもよい。交流負荷選択スイッチ６１１、６１２、６１３は、交流負荷４の定格入力電圧が、交流電力系統１の交流電圧と等しい場合であって、以下に述べる所定の条件が成立するとき、交流電力系統１を交流負荷４に電気的に直接接続する際に使用する。
【００３２】
ここで、所定の条件とは、次に示す事項の少なくとも一つが成立するときである。
【００３３】
ａ）システムのメンテナンス又は機器故障のような場合において、前記燃料電池及び又は前記コンデンサで得られる電力で前記交流負荷に発電電力による供給が不可能となったとき、
ｂ）燃料電池発電による電力供給が交流系統からの電力供給より経済性などの面で不適切と判断されるとき、
ｃ）前記燃料電池の発電出力が前記交流負荷の需要よりも定常的に低く、前記電力変換器の入力直流電圧が前記燃料電池の定格出力電圧のように所定の電圧よりも低下して、前記コンデンサからの放電電力がなくなったとき、
ｄ）図１に示す実施形態においてコンバータ２が故障した場合又はこのコンバータ２によるバックアップが効率低下に伴う経済性の不利が想定される場合、
である。
【００３４】
図１の回路において、コンデンサ５の裕度を勘案し燃料電池６の開回路電圧をコンデンサ５定格電圧の例えば８０〜９５％とする。燃料電池６の定格電圧をコンデンサ定格電圧の４０〜５０％となるようにする。直流回路区間の電圧が燃料電池６の定格電圧の例えば８０〜９０％まで低下するときにコンバータ２（つまり系統１）から電力が供給され、最低燃料電池６の定格電圧近辺を維持する。インバータ３の入力側は、燃料電池６の定格〜定格の例えば４０％をカバーする仕様とする。
【００３５】
以上のような構成の燃料電池発電システムの運転シーケンスは、次の通りである。
【００３６】
始めに、コンデンサ５にコンバータ２の過電流特性を利用した充電を行い、次に燃料電池６の立ち上げを行い、その後燃料電池切離スイッチ７を閉じると共に、負荷選択スイッチ８を閉じて、燃料電池６で発電された直流電力を、インバータ３を介して交流電力に変換し、さらに必要であればＤＣ−ＤＣコンバータ５０を介して安定な直流に変換し、交流負荷４或いは直流負荷０４に供給する。この場合、燃料電池６の発電電圧が、コンバータ２の出力電圧より大きいときは、負荷４に供給される電力は、全て燃料電池６から与えられる。    
通常運転時、コンデンサ５は、主として燃料電池６の発電電力により充電されるが、負荷４の変動が生じ、負荷４、０４が重くなったとき、この負荷変動に応じてコンデンサ５の充電電荷が放電され、この放電電荷が燃料電池６の発電電力に加えられ、電力変換器を介してで負荷４、０４に供給される。この結果、燃料電池６の急峻な負荷変動に伴う性能劣化及び効率低下を防止できる。
【００３７】
このような状態で、高負荷継続により、燃料電池６及びコンデンサ５の両者の電力の和が低下し、負荷４への電力供給が不足したとき、系統１からの電力がコンバータ２を介して燃料電池６及びコンデンサ５の電力に加算され、負荷４に供給される。また、通常電力供給は燃料電池６及び又はコンデンサ５により行われ、系統１から負荷４への電力供給は、あくまでも燃料電池６やコンデンサ５からの電力が不足したときのバックアップ用である。
【００３８】
ここで、図２を参照して、電力系統からバックアップ電流を供給する原理を説明する。燃料電池６及びコンバータ２及び燃料電池６とコンバータを組み合わせたシステムのＩ（電流）−Ｖ（電圧）特性である。図２において、実線は燃料電池６のＩ−Ｖ特性を示し、破線はコンバータ２のＩ−Ｖ特性を示し、一点鎖線はコンバータ２と燃料電池６を組み合わせたときのＩ−Ｖ特性を示している。また、Ｖｃｏｎはコンバータ２の設定電圧を示し、Ｖｆｃｍａｘは燃料電池６の定格電力のときの電圧を示し、Ｉｃｏｎｍａｘはコンバータ２の供給できる最大電流値を示し、Ｉｆｃｍａｘは燃料電池６の定格電力のときの電流値を示している。さらに、Ｉｘはコンバータ２のＩ−Ｖ特性と燃料電池６のＩ−Ｖ特性の交点の電流値を示し、これから右側(負荷電流の増加)においてバックアップが始まることを示している。Ｉｃｏｎｆｃｍａｘは、燃料電池６の定格電圧のときに流れるコンバータ電流値を示している。Ｉｘ＋ＩｃｏｎｍａｘはＩｘとＩｃｏｎｍａｘを加算した値であって、コンバータ２と燃料電池６を組み合わせたときの電圧が下がり始める点を示している。Ｉｆｃｍａｘ＋Ｉｃｏｎｆｃｍａｘはコンバータ２と燃料電池６を組み合わせたときに流れる最大電流値を示している。
【００３９】
図２から明らかなように、燃料電池６の定格電力のときの電圧Ｖｆｃｍａｘが、破線で示すコンバータ２の設定電圧Ｖｃｏｎより小さくなると、コンバータ２からも負荷４へ電流が供給されるようになる。この場合、負荷電流がＩｘ＋Ｉｃｏｎｍａｘになるまでは燃料電池６からの電流はＩｘに固定されたままでコンバータ２の電流のみが増加する。１点鎖線で示すように負荷電流がＩｘ＋Ｉｃｏｎｍａｘを超えると、燃料電池６の電流は増加していって最大負荷電流Ｉｆｃｍａｘ＋Ｉｃｏｎｆｃｍａｘまで供給できる。燃料電池６の電力を使用し、燃料電池６の電力が不足してきた時に系統１から電力を供給させたいので、それを行うためにはコンバータ２の設定電圧Ｖｃｏｎを下げてＶｆｃｍａｘに近づければよい。
【００４０】
なお、図２において、コンバータ２のＩ−Ｖ特性（コンバータ電流制限特性）は、フの字特性のものであるが、これが垂下特性のものであっても、前述と同様な機能が得られる。
【００４１】
本発明の実施形態によれば、次のような作用効果が得られる。
【００４２】
（１）コンデンサ５を燃料電池６と電力変換器の電気的接続部である直流回路に並列に直接接続したので、燃料電池の急峻な負荷変動に伴う燃料電池の発電電圧変動が大きいという特性を生かしながら、性能劣化及び効率低下を防止できる。従って、劣化防止のためには僅かな容量極端には通常のコンデンサでよく、大容量負荷への供給時間のニーズに応じて容量を増加させればよい。また、負荷４、０４が燃料電池６の定格を短時間の間超えたとしても、コンデンサ５の容量を、短時間不足した電力を供給できるようなものを選定しておけば、燃料電池の定格以上の過負荷需要に対応することができる。これは、負荷４、０４が例えば誘導負荷やランプ負荷などのように起動時短時間の間定格の数倍の電流を必要とする負荷などに対して有用である。
【００４３】
（２）燃料電池６及びコンデンサ５の負荷変動による電圧変動が大きいという特性を積極的に利用し、燃料電池６の急激な負荷変動による電圧変動をコンデンサ５で吸収できると共に、重負荷が続いて燃料電池６やコンデンサ５からの電力供給が不足し、燃料電池６及びコンデンサ５の電圧低下でコンバータ２の出力電圧と等しくなったとき系統１からもコンバータ２を介して電力が供給され、この結果負荷４、０４に安定して電力を供給することができる。
【００４４】
このことを、詳細に説明する。燃料電池６とコンデサ５を直流部分において直接接続し、成り行きで負荷変動に対して受動的に運用しているので、負荷４、０４が重くなり燃料電池６の電圧が下がり始めると（電流が増えようとすると）、コンデンサ５の電圧より低くなろうとするため、コンデンサ５からの放電電流が流れ始め、燃料電池６の電圧低下（電流増加）を抑制できる。また、負荷４、０４が軽くなったとき、逆に負荷電流が減少し、燃料電池６の電圧が上昇し始めるが、コンデンサ５の電圧より高くなろうとするため、コンデンサ５に充電電流が流れ、電流の減少を抑制できる。これに対して、従来は燃料電池等の出力側で出力電圧安定制御を行ったり、出力電流制御装置で燃料電池等を制御することにより出力電流を制御するのが一般的であった。しかし、出力電圧安定制御では負荷の増減に対して燃料電池の出力電流が増減することに変わりは無く、燃料電池の寿命に対して大きな影響が生じる。また、出力電流の制御に対して考えると、まず負荷４、０４が増え負荷電流が増大したとき、燃料電池６の出力電流を一定に保つように制御すると、不足した出力電流を蓄電装置やコンバータを介して系統から補う必要があるが、このとき不足分を補う蓄電装置やコンバータと燃料電池の出力電圧を、同じ直流電圧にしておかなければならない。つまり、前述の出力電圧安定制御装置が必要になってくる。この場合は、燃料電池６の電流増減は少ないため、寿命に対して影響は少ないが、出力電流制御装置や出力電圧安定制御装置が必要になり、この分システムが高価になると共に、効率も悪くなり、制御が複雑になる。本システムでは以上のようなメカニズムにより燃料電池の負荷変動を抑えることができると共に、出力電圧安定制御装置や電流制御装置を使用しない安価で効率の良いシステムを構築することができる。
【００４５】
本発明の燃料電池発電システムでは、燃料電池の定格以上の電力をコンデンサの容量に見合った時間に限り供給可能なシステムである。例えばドライヤや電子レンジを使用することにより、燃料電池の定格電力以上になったとき、ドライヤや電子レンジは何分間しか使用しない負荷であるので、このような電力需要に対しては、コンデンサの容量を、その電力容量分補うように構成すればよい。しかし、長時間燃料電池定格電力以上の過負荷状態が継続する場合、これを補うために燃料電池やコンデンサの容量を増やすことはシステムのコストアップに繋がる。従ってこれに対してバックアップ用として電力系統を利用する。
【００４６】
つまり、本発明は、燃料電池の定格電力以上の電力需要がある一定時間以上続いたとき、システムの直流電圧が図２の説明のようにコンバータの出力電圧より低くなろうとするため、系統電源からコンバータを介して電力が供給されるようになる。
【００４７】
（３）系統１の交流電力を直流に変換するコンバータ２と、コンバータ２の直流電力を交流電力に変換するインバータ３との直流回路に、燃料電池６及びコンデンサ５がそれぞれ並列に接続されているので、通常の系統連系システムにおいて発生する高調波や電圧フリッカの問題が無く、また逆潮流の問題も発生しないばかりでなく、単独運転検出装置及び同期制御装置なども不要である。このため、本システムを安価で安全なものにすることができる。
【００４８】
（４）負荷選択手段例えば負荷選択スイッチ８、６０が設けられているので、系統１或いは燃料電池６のいずれかが故障し、複数の負荷４１、４２、４３全てに十分な電力供給が不可能になったとき、負荷４１、４２、４３に応じて優先順位をつけ、前記スイッチによりこのうちの少なくとも優先順位の高い負荷にのみ電力を供給できる。例えば非難通路の照明など優先順の高い負荷を選択し継続して電力を供給することができる。      
（５）コンバータ２の出力電圧を可変可能な手段を備えているので、燃料電池６の電圧よりコンバータ２の出力電圧を低めに設定することができ、これにより重負荷で燃料電池６の発電電圧が低下したとき、コンデンサ５から電力が供給され、燃料電池６の負荷変動を抑えようとするが、重負荷が長く続くとき電力不足により電圧が低下していく。このとき、前述のようにコンバータ２の出力電圧が燃料電池６の電圧より低く設定されているので、低下した電圧がコンバータ電圧以下なろうとすると、系統１からも電力が供給されるようになる。このように急激な負荷変動は、コンデンサ５で吸収し、長く続く負荷変動は系統１で補うようにしてコンデンサ５の容量をそれほど大きなものを必要としないシステムとすることができる。
【００４９】
なお、コンバータ２の出力電圧を一定値に固定しておくことも可能で、このときは燃料電池発電システムに応じたコンデンサ５の容量が必要になる。
【００５０】
コンバータ２の出力電圧設定は、システムのコントローラによっておこなう事ができる。コンバータ２の出力電圧は、燃料電池６の定格出力電圧付近に固定して単なるバックアップ用としてもよいが、コンバータ２の出力電圧を任意に設定することで、以下のような効果が得られる。
【００５１】
１）出力電圧設定を燃料電池６の電圧変動に合わせて可変することにより、コンデンサ５に加えて系統１も負荷変動に対応することができ、コンデンサ５の容量を小さくすることができる。
【００５２】
２）燃料電池６のＩＶ特性の経年変化に合わせて燃料電池６の電力を最大まで使用できるように電圧設定を変更できる。
【００５３】
３）後述する図６の実施形態のように予測制御を行うとき、コンバータ２の電圧可変によりコンデンサ５の充電電流を制御できる。
【００５４】
４）後述する図７の実施形態では可変型定電流回路１４の入力電圧を制御するために電圧可変が必要である。
【００５５】
５）コジェネレーションとして使用するとき、熱が余る可能性があるが、この場合コンバータ２の電圧を上げ、燃料電池６の利用率を下げることで、熱余りを防止することができる。
【００５６】
６）燃料電池発電システムとして最も効率の良い電圧で運転できるよう制御することができる。
【００５７】
（６）燃料電池６の立ち上げ時、コンデンサ５に充分な電荷が残っていれば、それを、燃料電池６を立ち上げるための補機用電力として利用することができる。
【００５８】
（７）一見コンバータ２分だけ効率的に不利なようだが、負荷側電圧を安定に低く例えば９５Ｖとしたり、或いは力率改善で負荷４での省エネルギーに資することができる。また、燃料電池６の利用率向上の分だけコンバータ２を通過する電力は必要最小限となる。  
（８）系統１へのエネルギーの戻りがないので、高力率となり系統１からすると理想的な負荷となる。また、当然回転機型発電装置を燃料電池６の代わりに用いても系統１における短絡容量の上昇がない。
【００５９】
（９）インバータ３及びコンバータ２に、双方向性のものを使用することで、系統１側への逆潮流要請にも対応できると共に、エネルギーの回生のニーズにも対応できる。
【００６０】
（１０）位相などアンシラリーサービスを受ける必要がない。
【００６１】
以上述べた図１の実施形態は、次のように変形することもできる。系統１からの電力が得られないときには、燃料電池６側に図示しない充電用コンバータを準備しておいてもよい。また、負荷４側からの回生あるいは系統１側からの逆潮流の要請によっては、各コンバータ２の点弧角を調整して必要電力をコンデンサ５または系統１に戻すようにしてもよい。  
さらに、メンテナンス時などコンデンサ５の電荷を放電したいときは、図示しない放電抵抗を接続し所定の電圧以下になるまで電力を消費するようにしてもよい。各構成要素の定格容量はニーズやかけられるコスト等によって適宜選定することは言うまでもない。系統１に接続されていないときや系統１が停電状態にあるときなどの本システムの燃料電池６の起動は、補助バッテリーを必要とし、本システムに必要に応じて追加することができる。また、インバータ３として、双方向性のものを使用することもできる。さらにコンバータ２とインバータ３の直流回路区間には、他電源例えば太陽光発電や風力発電などの追加接続が可能である。
【００６２】
ここで、以上述べた実施形態の燃料電池発電システムと、前述した特許文献１の無停電電装置或いは系統連系システムとの違いについて述べる。
【００６３】
１）燃料電池等の容量の違い
本発明のシステムは、系統契約電力が小、コンデンサ５の容量小（ニーズによる）、燃料電池６が長時間運転型であり、これは起動時間がある程度要してもよい。これに対して、特許文献１は、系統契約電力が大、コンデンサの容量大、燃料電池が即起動短時間運転型である。
【００６４】
２）構成の違い
本発明のシステムは、燃料電池６の燃料（水素）が水素配管による供給、又はインフラが整備されている都市ガス、或いはＬＰガスや灯油など一般燃料からの改質による水素供給、勿論水素ボンベによる供給のいずれであってもよいが、特許文献１は、燃料電池の燃料は水素ボンベの交換を前提としたものである。
【００６５】
本発明のシステムは、燃料電池６及びコンデンサ５が電圧変化する特性を利用するため、インバータ３の直流回路に直接接続し、かつ燃料電池６の起動停止やコンデンサ５の充放電制御を行わず、これらを受動的に運用するものであり、これに対して特許文献１は、系統電源の停電を検出する検出手段を必ず必要とするものである。
【００６６】
本発明のシステムは、負荷選択スイッチ８を備え、防災対応等で最低限の電力供給を維持するため（燃料電池運転継続のため）に、負荷の優先順位によって負荷選択スイッチ８を選択し、最悪の場合でも重要な負荷への電力供給を維持するのに対し、特許文献１は重要負荷にしか電力供給を行わないものである。
【００６７】
３）目的の違い
本発明のシステムは、非常用電源としても使用できるが、主に燃料電池６と系統１との連系、協調を目的としており、本システムでは交流的な連系ではなく、直流的に連系している。このような目的の違いから各要素の容量が異なってくる。例えば、コンデンサで見れば、無停電電源装置は大容量が要求されるが、本システムでは小容量のものでよくニーズに応じても容量を選択できる。また、燃料電池６については無停電電源装置では即起動することが必要で、短時間運転型でよいものに対して、本システムでは起動時間はある程度要してもよいが、長時間運転型が必要である。
【００６８】
さらに、契約電力においては本システムでは前述のごとくバックアップ用であるため、小電力でよいが、無停電電源装置では負荷に応じた電力が必要となる。
【００６９】
また、“目的の違い”の説明から外れるが、本システムでは系統１とは直流的な連系であることから、単独運転検出装置が不要であり、ピーク負荷が系統に依存せず、高調波が系統１に入らない。これに対して、公知の分散型電源を系統に連系するシステムでは、単独運転検出装置が必要であり、ピーク負荷が系統に依存するばかりでなく、高調波が系統に入り、また電圧フリッカの問題が発生する。さらに、同一系統に多数の分散型電源が連系する場合などの条件によっては単独運転の検出ができないなどの問題がある。
【００７０】
４）運転シーケンスの違い    
本発明のシステムは、前述した運転シ−ケンスであるのに対し、特許文献１は系統からコンデンサを充電し、系統が故障したとき、コンデンサからの電荷を放電し、この放電による蓄電荷の低下による電圧低下を検出したとき、燃料電池を運転するものである。
【００７１】
以下、図３〜図９を参照して本発明の具体的な実施形態について説明する。
【００７２】
図３は、本発明の燃料電池発電システムに係る第１の実施形態を説明するための概略構成図であり、図１と異なる点は制御手段を構成する例えばシーケンサのごときコントローラ１０を新たに追加し、コントローラ１０の内部に有する電圧検出器（図３では示していないが、後述する図９に示しているＤ１、Ｄ２）の電圧検出端子３１、３２を以下のように接続した点である。電圧検出端子３１は、コンバータ２あるいはコンデンサ５の出力電圧が印加され、この印加されたコンバータ２あるいはコンデンサ５の出力電圧信号をコントローラ１０に入力する。電圧検出端子３２は、燃料電池６の出力電圧が印加され、この印加された燃料電池出力電圧信号をコントローラ１０に入力する。
【００７３】
コントローラ１０は、電圧検出端子３１に印加されたコンバータ２あるいはコンデンサ５の出力電圧信号を入力し、この出力電圧信号により直流回路の電圧を確認したり、系統１の停電やコンバータ２の故障を検知する。また、コントローラ１０は、電圧検出端子３２に印加された燃料電池出力電圧信号により燃料電池出力電圧を確認する。コントローラ１０は、コンバータ２に対してコンバータ出力電圧制御信号を与えてコンバータ２の出力電圧を制御したり、燃料電池用開閉手段例えば燃料電池切離スイッチ７に対して制御信号（ＳＷ７制御信号）を与えてスイッチ７を開閉制御する。具体的には、コンデンサ電圧が設定値より低いときや、燃料電池６が異常のときスイッチ７を開くようにする。
【００７４】
以上のように図３は図１のシステムを制御する場合の実施形態であり、その運転シーケンスや作用効果については、図１の説明と同じである。
【００７５】
図６は、本発明の第２の実施形態を説明するための概略構成図であり、図３と異なる点は、新たに、コンバータ２とインバータ３との直流回路であってコンデンサ５とインバータ３との間に直列に直流回路用開閉手段例えば直流回路用スイッチ（ＳＷ１１）１１を挿入し、スイッチ１１は、コントローラ１０の出力により開閉制御するものである。そして、スイッチ１１とインバータ３の接続点と、コンデンサ５とコンバータ２との接続点との間に、新たに逆流防止手段例えばダイオード１２を、このダイオード１２のアノードがコンデンサ５側となるように配設したものである。これ以外の点は、図３と同一である。
【００７６】
図６のように構成されたものにおいて、コントローラ１０によりスイッチ１１は燃料電池６とコンデンサ５間を開閉してコンデンサ５を燃料電池６の負荷（充電）４にするか否かが可能であると共に、コンバータ２やコンデンサ５とインバータ３を直結してコンバータ２からインバータ３ヘの電力の供給についての制御も行える。
【００７７】
ダイオード１２は、負荷４が重くなって燃料電池６の電圧が低下したとき、コンデンサ５の放電電流がインバータ３を介して負荷４に流れるようにすると共に、スイッチ１１が閉じているとき以外は、燃料電池６からコンデンサ５への充電電流が流れないようにするためのものである。また、ダイオード１２は、負荷４が急激に変動したとき、コンデンサ５やコンバータ２から電力の供給を行えるようにするためのものである。
【００７８】
インバータ３は直流を交流に変換するもので、インバータ３の出力は、図示しない分電盤を介して負荷４に接続される。コンデンサ５は用途に応じて急激な負荷変動を抑える電気容量を持つ程度の静電容量から長時間コンデンサ５のみで負荷４を運転することができる静電容量を、有したものを使用する。
【００７９】
コントローラ１０はコンバータ２の出力電圧制御やスイッチ１１、７を開閉するための指令を与え、また電圧検出端子３１に印加される電圧信号によりコンバータ２及びコンデンサ５の出力電圧、電圧検出端子３２に印加される電圧信号により燃料電池６の電圧の監視を行う。
【００８０】
ダイオード９は燃料電池６の出力に逆電圧がかかるのを防止するためのものである。
【００８１】
スイッチ７は燃料電池６の異常時や負荷４が軽くなり、出力電圧が高くなってインバータ３などの装置の入力電圧を上回る可能性が生じそうなときに回路から燃料電池６を切り離すために使用される。
【００８２】
前述したように、図３と異なる点はスイッチ１１とダイオード１２が入っているところで、スイッチ１１が閉じているときは図３と同じになる。
【００８３】
スイッチ１１の機能は上記の通りであるが、コンデンサ５の電圧が低いとき燃料電池６とコンデンサ５を直結しておくと、負荷４が軽くても燃料電池６に大きな電流が流れることになる。
【００８４】
これはコンデンサ５ヘの充電電流のコントロールができないことになり負荷変動に柔軟に対応できない可能性がある。
【００８５】
例えば、１日の電気使用量が学習できるとすると、コンデンサ５の充電電圧をコントロールすることによりスイッチ１１の入り切りとコンバータ２の出力電圧調整により、コンデンサ５の電圧を調整することによって燃料電池６の負荷平準化が行える。
【００８６】
軽負荷が長い時間続くときはコンバータ２の出力電圧を低くしてコンバータ２から電流が流れないようにしておきスイッチ７を閉じて燃料電池６からコンデンサ５に電流を供給するようにするが、軽負荷が長く続く時間帯がわかっていればその前にコンデンサ５の電圧を低く設定しておいて燃料電池６からの充電時間を長く取れるようにしておけばよい。
【００８７】
また負荷４が重くなる前の時間帯ではコンデンサ５の電圧を上げるためスイッチ１１を閉じてコンバータ２の出力電圧を適当な電圧値にしてコンデンサ５を高速充電し、急激な過負荷変動に対応できるようにすればよい。
【００８８】
コンデンサ５の充電制御は、スイッチ１１を開にして、コンバータ２の出力電圧の上げ下げの時間により行うことができる。またダイオード１２はこのスイッチ開状態のときの急激な負荷変動に対応するためのものである。
【００８９】
図６の特徴は、スイッチ１１を閉じているときは図３と同じである。
【００９０】
スイッチ１１をコントローラ１０により開くことによりコンデンサ５の電圧が低い初期充電時でも、装置の運転が可能である。スイッチ１１を開くことにより、通常使用時もコンバータ２からのみ充電電流が流れるので、コンバータ２の電圧設定が可変できるコンバータ２を使用し電圧可変時間設定によってコンデンサ５ヘの充電時間を可変することができる。  また、コントローラ１０によりスイッチ１１を閉じることにより急速充電も可能となる。
【００９１】
以上述べた図６の実施形態によれば、次のような作用効果が得られる。  燃料電池６の起動停止は通常は系統１により行えるため補助バッテリーは不要になる。さらに系統１が異常のときでコンデンサ５に十分な電荷が蓄積されているときは、コンデンサ５による起動が可能である。コンデンサ５の電圧を比較的自由に設定できるので、負荷変動パターンを学習することにより燃料電池６の負荷変動を抑える電圧制御ができる。
【００９２】
初期状態においてコンデンサ５の電圧が低い時、図３では充電後の運転になるが、図６では燃料電池６のみで運転を開始することができる。これはスイッチ１１を開くことによりコンデンサ５ヘの充電電流はコンバータ２からのみ供給されるため燃料電池６は負荷４へ電力を供給することができるためである。図６の実施形態は、コンデンサ５のみでも長時間負荷に電力を供給できるシステムに対して特に有用である。
【００９３】
図７は、本発明の第３の実施形態を説明するための概略構成図であり、図３と異なる点は、新たに、第１の開閉手段例えばスイッチ１５（ＳＷ１５）及び第２の開閉手段例えばスイッチ１３（ＳＷ１３）並びに第３の開閉手段例えばスイッチ１７（ＳＷ１７）と、逆流防止手段例えばダイオード１６及び定電流回路例えば可変型定電流回路（以下定電流回路と称する）１４を以下のように設けたものである。
【００９４】
燃料電池６により得られる直流電力に基づき負荷（ここでは交流負荷であるが、図１のように直流負荷０４も存在することもある）４に対応する電力に変換する電力変換器例えばインバータ３を備え、燃料電池６とインバータ３の間の電気的接続部である直流回路に、
交流電力系統１の交流電力を直流電力に変換する交流―直流コンバータ２を並列に接続し、交流―直流コンバータ２とインバータ３の間の電気的接続部である直流回路に、該直流回路に流れる電流を任意に設定可能であって、起動停止制御可能な定電流回路１４を設け、直流回路であって交流―直流コンバータ２と定電流回路１４との接続点に燃料電池６を並列に接続し、直流回路であって定電流回路１４とインバータ３との接続部に並列にコンデンサ５を接続し、燃料電池６とインバータ３の間の接続回路を開閉するスイッチ１５を設け、定電流回路１４と交流―直流コンバータ２の接続点及びスイッチ１５と燃料電池６との接続点間を接続する回路を開閉するスイッチ１３を設けたものである。
【００９５】
さらに、定電流回路１４とコンデンサ５の接続点及びスイッチ１５とインバータ３間の回路に、該回路を開閉するスイッチ１７と逆流防止手段例えばダイオード１６からなる並列回路を設けたものである。
【００９６】
なお、燃料電池６とスイッチ１５との接続点にダイオード９及びスイッチ７の直列に接続している点は、図１、３、６と同一である。
【００９７】
可変型定電流回路１４は、例えば直流電源からの直流電圧を、スイッチング素子の開閉動作によりチョッピングする、いわゆるチョッパ回路において、スイッチング素子の開閉動作時間を制御することで、一定の出力電流を得ることができると共に、その出力電流は任意の値に設定可能に構成されている。
【００９８】
コントローラ１０を示すブロックの内部に図示しないが、図９のようにコンバータ２の出力電圧を検出する電圧検出器Ｄ１、燃料電池６の発電電圧を検出する電圧検出器Ｄ２、コンデンサ５の電圧を検出する電圧検出器Ｄ３をそれぞれ備え、これらの電圧検出端子３１、３２、３３は、次のように接続されている。電圧検出端子３１は、コンバータ２の出力側と定電流回路１４との接続点に接続され、また電圧検出端子３２は燃料電池６とスイッチ７との接続点に接続され、更に電圧検出端子３３は、コンデンサ５とスイッチ１７との接続点に接続されている。この結果、電圧検出端子３１、３２，３３にそれぞれ印加される電圧がコントローラ１０の内部の各電圧検出器に導かれるようになっており、これによりコンバータ２の出力電圧、燃料電池６の発電電圧、コンデンサ５の電圧の状態を常に認識することができるようになっていて、この認識結果に基き、後述するようにスイッチ７、１３、１５、１７及び定電流回路１４、コンバータ２、燃料電池６、インバータ３などに対して所定の制御信号を、所定のタイミングで与えるようになっている。図４は、これを説明するためのもので、図４（ａ）は負荷変動・燃料電池電圧特性等を示し、図４（ｂ）は前記各制御信号のタイミングチャートを示している。図５は、図４（ａ）の一部を拡大して示す図で、インバータの入力電圧を狭めることできるということを説明するための図である。  
以下、コントローラ１０の詳細について説明する。すなわち、負荷４が、燃料電池６の定格電力未満で燃料電池６の発電電圧がインバータ３の入力電圧の範囲内、或いは燃料電池６の発電電圧が一定電圧を超えないとき、  コントローラ１０は、スイッチ１３に対して開路指令を与えると共にスイッチ１５に対して閉路指令を与え、またコントローラ１０はスイッチ１７に対して閉路指令を与え、負荷４の変動があり負荷４が重くなったときコントローラ１０はコンデンサ５の電圧が低下しないように定電流回路１４の出力定電流値を増やし、負荷４の変動がないか、負荷４の変動があっても負荷４が軽くなっているとき、コントローラ１０は定電流回路１４の出力電流をオフにする。
【００９９】
また負荷４が燃料電池６の定格電力未満で燃料電池６の発電電圧がインバータ３の入力電圧の範囲、或いは燃料電池６の発電電圧が一定電圧を超えそうなとき、コントローラ１０はスイッチ１３に対して閉路指令を与え、かつスイッチ１７に対して開路指令を与え、またコントローラ１０はスイッチ１７に対して閉路指令を与え、これにより定電流回路１４からインバータ３に対して負荷電流と同等の出力電流を流し、インバータ３等の直流回路に接続されている機器の入力電圧を一定電圧以上上げないようにする。
【０１００】
ここで、定電流回路１４は、負荷４が非常に重いときは後述するように動作を停止（出力電流０）にしている。従って、それ以外の条件で動作しているため、そのときの制御方法について説明する。負荷４が軽くなり、定電流回路１４でも電流を供給できる負荷電流になったとき、インバータ３の入力電圧の上限になる前に、スイッチ１３と、スイッチ１７を閉じ、スイッチ１５を開いて負荷４へは定電流回路１４から電流供給を行うようにする。
コンバータ２の出力電圧は燃料電池６の発電電圧より低くしておけば、負荷４へは燃料電池６から定電流回路１４を経て電力供給されることになる。このとき、負荷電流と定電流回路１４の定電流値を等しくしておけば、コンデンサ５は充放電が行なわれないため、現状の電圧を維持する。      
このような制御は、コントローラ１０で行い、定電流回路１４の出力電流値設定の制御はコンデンサ５の電圧監視により行われる。つまり、コンデンサ５の電圧が上昇していれば、定電流回路１４から負荷電流以上の電流が供給されていると判断し、定電流回路１４の出力電流を減らす制御を行い、またコンデンサ５の電圧が下降していれば、定電流回路１４からの電流が負荷電流より少ないと判断し、電流を増やす制御を行う。
【０１０１】
次に、この状態で負荷４が軽い状態から重くなったときは、定電流回路１４の電流では負荷電流をまかないきれなくなるため、スイッチ１３を開き、スイッチ１５を閉じて直接燃料電池６から負荷４へ電力の供給を行うようにする。
【０１０２】
このとき、コントローラ１０は定電流回路１４の出力電流を０にするように制御する。ただ、コンバータ２の出力電圧を定電流回路１４の入力電圧範囲内になるように設定しておけば、いつでも電流が供給可能となる。もし、燃料電池６から直接電力を供給してもコンデンサ５の電圧が下降しているときは、定電流回路１４から電流を流してコンデンサ５の電圧の下降を抑えるように徐々に定電流回路１４の電流を減らしていき、最終的に燃料電池６の電流と負荷電流をバランスするように制御する。燃料電池６と負荷電流がバランスした後は定電流回路１４からの電流は０となっている。
【０１０３】
ここで、燃料電池６と負荷電流をバランスさせる方法は、以下のように行う。負荷が安定状態から変動したとき（スイッチ１７あるいはスイッチ１７が開放しているときは、ダイオード１６を介してコンデンサ５の電流が流れ、コンデンサ電圧が下降していく。このとき）、以前は負荷４が安定状態であったので、定電流回路１４からの出力電流は０であるが、コンデンサ５の電圧低下を検知して定電流回路１４からコンデンサ５に電流を供給するようにする。
【０１０４】
このようにしてコンデンサ５の電圧と燃料電池６の電圧が大きく変動しないようにしている。負荷変動が短時間でまたすぐにもとの電力に戻るときは、定電流回路１４からの電流は、コンデンサ５や燃料電池６の電圧が元の電圧に徐々に戻っていくので、定電流回路１４からの電流を徐々に減らして安定した電圧のところで０にする。
【０１０５】
負荷変動が短時間で終わらない場合は（コンデンサ５や燃料電池６の電圧が下降し続ける場合は、スイッチ１７が開路状態のときスイッチ１７を閉路して（１６の電力損失を無くして）定電流回路１４の出力電流を増やして下降する速度を遅くする。
【０１０６】
電圧が安定してきたところで徐々に定電流回路１４からの電流を減らしてコンデンサ５や燃料電池６の電圧が安定したところで０にする。
【０１０７】
負荷電力が燃料電池６の電力以上でこれが長く続くときは、コンデンサ５や燃料電池６の電圧が燃料電池６の定格電圧以下に下がるので、このときは定電流回路１４からの出力電流を０とし、スイッチ１３、１５、（１７）を閉じて系統電源１からの電力（コンバータ２からの電力）を負荷４に供給できるようにする。
【０１０８】
以上述べたことを図４（ｂ）を用いて説明する。始めに、図４（ｂ）の時刻ｔ１において、システムの立ち上げると定電流回路１４も同時に起動しコンデンサ５への充電を開始する。このとき、コンバータ２から重要負荷への電力供給、燃料電池の立上げも同時に行われる。
【０１０９】
時刻ｔ２において燃料電池６の発電電圧が一定値に達したので、コントローラ１０はスイッチ７、１５に対して閉路指令を与え、スイッチ７、１５は閉路状態とし全負荷への電力供給を開始する。
【０１１０】
時刻ｔ３においてコンデンサ５の充電電圧がある一定値に達したので、コントローラ１０はスイッチ１７に対して閉路指令を与えると、スイッチ１７は閉路状態となる。ここで、時刻ｔ３まで、スイッチ１７を閉路状態にしないのは、コンデンサ５の電圧が低いため、インバータ３の入力電圧範囲外であるためである。また、時刻ｔ２とｔ３のタイミングが逆になる可能性もある。本タイムチャートで時刻ｔ３以降は通常の動作状態となる。
【０１１１】
時刻ｔ４において負荷４が重くなり、かつコンデンサ５の電圧が燃料電池６の定格電圧付近まで下がったとき、コントローラ１０は定電流回路１４に対して停止指令を与えて定電流値を０にし、かつスイッチ１３に対して閉路指令を与えスイッチ１３を閉路状態にし、この状態ではスイッチ１５は既に閉路状態にあるので、負荷４側のインバータ３には燃料電池６からの電力だけでなくコンバータ２からも電力を供給する。
【０１１２】
時刻ｔ５においてコンデンサ５の電圧がある一定電圧以上になったときコントローラ１０は負荷４が軽くなったと判断し、コントローラ１０はスイッチ１３に対して開路指令を与えてスイッチ１３を開路状態にする。コンデンサ５は燃料電池６からの充電により燃料電池と同じ電圧値で上昇する。
【０１１３】
さらに、時刻ｔ６においてコントローラ１０は負荷４が更に軽くなり、燃料電池６の出力電圧がインバータ３等の入力電圧を超えそうな状態である場合、それを検知し、コントローラ１０はスイッチ１５に対して開路指令を与えてスイッチ１５を開路状態にし、また同時にコントローラ１０はスイッチ１３に対して閉路指令を与えてスイッチ１３を閉路状態とすることにより、定電流回路１４を燃料電池の負荷とすることで、インバータ３の入力電圧を制限している。このとき定電流回路１４で設定されている負荷電流と同等の出力定電流がインバータ３を介して負荷４に供給される。
【０１１４】
時刻ｔ７において燃料電池６の出力電圧の電圧低下によりコントローラ１０は負荷４がある程度重くなってきたと判断し、コントローラ１０はスイッチ１５に対して閉路指令を与えてスイッチ１５を閉路状態とし、コントローラ１０はスイッチ１３に対して開路指令を与えてスイッチ１３を開路状態にする。ここで、時刻ｔ５〜ｔ７の詳細については、図５に示す通りで、時刻ｔ６においてインバータ３の入力電圧制限を行っている。
【０１１５】
時刻ｔ９においてコントローラ１０は負荷４が重くなったと判断し、時刻ｔ４と同様に定電流回路１４を停止し、スイッチ１３に対して閉路指令を与えてスイッチ１３を閉路状態とし、この状態ではスイッチ１５は既に閉路状態にあるので、負荷４側のインバータ３には燃料電池６からの電力だけでなくコンバータ２からも電力を供給する。時刻ｔ１０においてコントローラ１０は負荷４が軽くなったと判断し、時刻ｔ５と同様にコントローラ１０はスイッチ１３を開路し、コンデンサ５は燃料電池６からの充電により電圧が回復する。
【０１１６】
さらに、時刻ｔ１１においてコントローラ１０は、コンデンサ５の電圧が低下してきたので負荷４が重くなったと判断し、コントローラ１０は停止状態にある定電流回路１４に対して起動指令を与えて定電流回路１４を起動させ、コントローラ１０が設定した定電流を供給することにより、電圧変動を抑えるようにする。このとき、すぐに電圧が安定すれば徐々に定電流値を減少させ、最終的には燃料電池６のみで負荷電流をまかなうようにする。この動作については、時刻ｔ７と時刻ｔ９の間の時刻ｔ８でも過度的に時刻ｔ１１の状態は存在する。時刻ｔ１２において、時刻ｔ４と同様に負荷４が重くなり、コントローラ１０は定電流回路１４に対して停止指令を与えて定電流回路１４を停止させ、かつスイッチ１３に対して閉路指令を与えスイッチ１３を閉路状態にし、この状態ではスイッチ１５は既に閉路状態にあるので、負荷４側のインバータ３には燃料電池６からの電力だけでなくコンバータ２からの電力を供給可能にする。以下時刻ｔ１３はｔ５と、時刻ｔ１４は時刻ｔ６と同様である。
【０１１７】
なお、図４(ｂ)のスイッチ１７のタイムチャートで、表示されている破線は、次のような意味を示している。すなわち、これまでのスイッチ１７の説明は、時刻ｔ３でスイッチ１７に対して閉路指令を与えて閉路状態とし、これ以降はこの閉路状態のまま継続した場合であったが、破線は時刻ｔ７、ｔ１４近くでスイッチ１７に対して短時間だけ開路指令を与えて短時間開路状態としたことを意味しており、破線のようなスイッチ１７の開閉が、燃料電池６の負荷平準化のために必要な場合もある。また、スイッチ１７とダイオード１６を入れることは、前述のようにシステムの起動時に負荷にすぐに電力を供給できるなどの利点がある。
【０１１８】
図７の実施形態によれば、次のような作用効果が得られる。
【０１１９】
ａ）前述の実施形態と同様に、直接直流回路にコンデンサ５を入れることにより、コンデンサ５からの高速出力により急峻な負荷変動に対して燃料電池６の発電効率維持及び劣化抑制が可能である。
【０１２０】
ｂ）コントローラ１０により以下に示す制御を行うことにより、インバータ３の入力電圧や可変型定電流回路１４の入力電圧を狭めることができる。
【０１２１】
負荷４が軽くなり燃料電池６の発電電圧が高くなったとき、スイッチ１５を開、スイッチ１３を閉にすることにより燃料電池６の負荷としては定電流回路１４になり、切り替え後の定電流回路１４を負荷電流と同じにすることで、燃料電池６の電圧変動は起こらず、さらに負荷４が軽くなっても定電流回路１４の電流値を抑えることができ、これによりコンデンサ５の電圧を一定に保ちインバータ３の入力電圧も制限を超えることはない。
【０１２２】
ｃ）定電流回路１４を使用しているので、負荷が安定していて定電流回路１４から電力を供給できるとき、コントローラ１０から定電流回路１４に対して与えている出力電流の設定値Ｉと、燃料電池６の発電電圧を検出する電圧検出器の検出値Ｖを、定期的にオンラインで読み取ることで、燃料電池６のＩＶ特性を測定することができ、運転制御を適切に行うことができると共に、燃料電池６の劣化を確認できる。
【０１２３】
図８は前述した本発明の燃料電池発電システム１００を使用して配電盤２０と接続する場合、あるいは配電盤２０内における負荷選択制御装置を説明するための図である。これは、燃料電池発電システム１００に、前述したコントローラ１０により開閉制御される開閉手段、例えば通常負荷選択スイッチ(直送・燃料電池発電システム交流負荷切換スイッチ又は交流負荷選択スイッチ)２２、２３、２４と重要負荷選択スイッチ(直送・燃料電池発電システム交流負荷切換スイッチ又は交流負荷選択スイッチ)２５と、系統切離スイッチ２６と燃料電池６と負荷選択スイッチが含まれている配電盤２０からなる。
【０１２４】
スイッチ２２〜２５は、いずれも系統と燃料電池発電システムの出力とを切り替えるものであって、常開端子ａ、常閉端子ｂ、共通端子を有し、前述したコントローラ１０からの開閉指令により、常開端子ａ、常閉端子ｂのいずれかに切換るスイッチで、メカニカルスイッチ、半導体スイッチのいずれかであってもよく、さらに無瞬断切換スイッチであってもよい。
【０１２５】
系統切離スイッチ２６は常に閉（導通）つまりスイッチは存在せず短絡状態であってもよく、スイッチがある場合でスイッチ開のとき、あるいは系統が故障か系統に接続されていないときは、負荷選択スイッチは優先順に応じて電力容量に見合った容量の負荷を選択するためのスイッチとして働く。
【０１２６】
このときの負荷選択スイッチ２２〜２５は優先順位に応じて、電力容量に見合った分だけ閉路される，この様な構成において、スイッチ２２〜２５の切換えは、前述した図１の説明内の所定の条件のときに行う。
【０１２７】
この所定の条件が満たされていないとき、スイッチ２２〜２５は燃料電池発電システム１００側が閉になっていて、燃料電池発電システムから全電力が負荷に供給される。前記所定の条件のうちの一つ、例えば燃料電池６の故障時は、前述したコントローラ１０がそれを検出してスイッチ２６を閉にすると共に、スイッチ２２〜２５を系統側に切換え、負荷の全電力を系統から供給できるようにする。
【０１２８】
ただし、全負荷が購入契約電力を上回る時には、重要でない負荷は系統側に切り換えずに電力を供給しないようにすることもできる。また系統が故障のときは、例えば重要負荷選択スイッチ２５のみ燃料電池供給システム側にして、スイッチ２２〜２５は系統側に切り替え、スイッチ２６を開にすることにより重要負荷のみに電力を供給することが可能となる。このときスイッチ２６については開にしなくてもよい場合もあり、この場合はスイッチ２６も必要がなくここは短絡されていてもよい。このように重要負荷は燃料電池６が故障、あるいは系統電源１の異常があっても安定な状態を保つことができる。また燃料電池発電システムと系統の切換えについて、ここでは各負荷ごとの切換えとしているが、通常負荷一括の切換えでもよく、または一括切換えと個別切換えの混在方式であってもよい。
【０１２９】
図９は、前述したコントローラ１０の一例を説明するためのであり、これはコントローラ用電源１０１と、制御部１０２、引き込みダイオード１０３、１０４、１０５、９と、コンデンサ１０６と、第１の電圧検出器Ｄ１を構成する位分圧用抵抗１０７、１０８と、第２の電圧検出器Ｄ２を構成する１０９、１１０と、第３の電圧検出器Ｄ３を構成する１１１、１１２からなっている。コントローラ用電源１０１は、制御部１０２に電圧を安定して供給できればなんでもよく、例えば直流―直流コンバータを用いる。
【０１３０】
コントローラ用電源１０１には、燃料電池電圧、コンバータ電圧、コンデンサ電圧は、いずれも引き込みダイオード９、１０３、１０４、１０５を介して入力されるようになっており、燃料電池６、コンバータ２、コンデンサ５からの電流は、逆流しないようになっている。これにより、出力電圧の一番高い電圧を電源として使用することができる。また、燃料電池６か系統１が異常のときでも、正常な電源を使用して制御を継続することができる。さらに、燃料電池６と系統１の両方が異常でもコンデンサ５に電荷があれば、コンデンサ５の電圧が制御部１０２の最低入力電圧以下になるまでの間は、制御を継続できる。従って、異常警報を出す、或いは負荷スイッチの遮断などの処置をおこなうことができるし、燃料電池か系統電源１が正常なとき重要負荷の選択を行ったり、本発明の燃料電池発電システムを経由しない電力供給に切り替えることもできる。なお、ダイオード１０３、１０４、１０５は、燃料電池６の出力電圧が、コントローラ用電源１０１の入力電圧より高くなることが考えられる場合には、その電圧を検出して燃料電池６からの電圧を遮断するとか、電圧を降下させる回路を追加することが考えられる。
【０１３１】
（変形例）
前述した燃料電池６としては、燃料電池システムとして考えてよく、このとき水素供給方式は貯蔵水素供給型、又は改質水素供給型のいずれであってもよい。
【０１３２】
図１の実施形態では、直流回路に電力変換器として、インバータ３と直流―直流コンバータ５０を設け、各インバータ３、コンバータ５０の出力側に交流負荷４、直流負荷０４を接続した例を示しが、この交流負荷４、直流負荷０４のうちのいずれか一方に電力が供給可能な構成としてもよく、また図３、図６、図７の実施形態では直流回路に電力変換器として、インバータ３のみを設け、インバータ３の出力側に交流負荷４のみを接続した例を示したが、図１のように交流負荷４と直流負荷０４の両方或いは直流負荷０４のみに電力が供給可能な構成としてもよい。
【０１３３】
さらに前述した実施形態、例えば図８で示した負荷の増減又は切り替えをおこなうためのスイッチ２２〜２８の制御は、コントローラ１０により行うが、コントローラ１０は各制御に対して別々に設けてもよく、前述の実施形態と同様に全てを一つのコントローラ１０で制御してもよい。
【０１３４】
前述したコンバータ２は系統１の交流電力を直流電力に変換する装置で外部信号により出力電圧を可変させることができる、また過電流時は垂下あるいはフの字特性を持った過電流特性を有していることは、言うまでもない。
【０１３５】
図１、図３、図６、図７の実施形態では、燃料電池６の出力間に、スイッチ７とダイオード９を直列に接続した例を説明したが、スイッチ７とダイオード９は、必ずしもこの位置に限らず、燃料電池６の内部に配設してもよく、またダイオード９は直流回路から燃料電池６へ電流が流れるのを阻止する、いわゆる逆流防止ができれば何でもよく、スイッチ７は燃料電池６の立ち上げ時以外は閉路し、燃料電池６が異常のときは開路するものであるので、このような機能が得られればこれに限らず何でもよい。
【０１３６】
前述の実施形態では、コンデンサの一例としてスーパキャパシタを例に挙げて説明したが、コンデンサに代えてリチウムイオン電池などの二次化学電池を利用することも可能である。
【０１３７】
図７の実施形態では、定電流回路１４とコンデンサ５の接続点及びスイッチ１５とインバータ３及び又は直流―直流コンバータ５０（図１）の接続点間の回路に、スイッチ１７とダイオード１６を並列接続した並列回路を、設けた例について説明したが、これはシステム立ち上げ時に、燃料電池６、コンデンサ５、定電流回路１４を同時に運転する際に有効な場合である。この実施形態において、スイッチ１７を常に閉路状態とすることで、ダイオード１６を省くことができる。つまり、定電流回路１４とコンデンサ５の接続点及びスイッチ１５とインバータ３及び又は直流―直流コンバータ５０の接続点間の回路が接続されていれば、スイッチ１７とダイオード１６を省くことができる。
【０１３８】
図１、図３、図６、図７、図８の実施形態の全てのスイッチは、機械式であっても、半導体式であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１３９】
【図１】本発明の燃料電池発電システムの概略構成を示すブロック図。
【図２】本発明の実施形態の燃料電池及びインバータのＩ−Ｖ特性を示す図。
【図３】本発明の第１の実施形態の燃料電池発電システムの概略構成を示すブロック図。
【図４】本発明の実施形態の燃料電池発電システムの負荷変動・燃料電池電圧特性を示す図。
【図５】図４の一部である、軽負荷から重負荷へ移行する際の燃料電池、コンバータ、インバータのＩ−Ｖ特性図。
【図６】本発明の第２の実施形態の燃料電池発電システムの概略構成を示すブロック図。本発明の…示す図。
【図７】本発明の第３の実施形態の燃料電池発電システムの概略構成を示すブロック図。
【図８】本発明の燃料電池発電システムを配電盤と接続する場合の負荷選択装置の概略構成を示すブロック図。
【図９】本発明の実施形態に使用するコントローラの一例を説明するための図。
【符号の説明】
【０１４０】
Ｄ１…第１の電圧検出器、Ｄ２…第２の電圧検出器、Ｄ３…第３の電圧検出器、１…交流電力系統、２…コンバータ、３…インバータ、３…保ちインバータ、４…交流負荷(４１、４２)、０４…直流負荷(０４１、０４２)、５…コンデサ、６…燃料電池、７…燃料電池切離スイッチ、７…スイッチ、８…負荷選択スイッチ、１０…コントローラ、１１…直流回路用スイッチ、１２…ダイオード、１３…スイッチ、１４…可変型定電流回路、１５…スイッチ、１６…ダイオード、１７…スイッチ、２０…配電盤、２２〜２４…負荷選択スイッチ、２５…重要負荷選択スイッチ、２６…系統切離スイッチ、３１、３２、３３…電圧検出端子、５０…コンバータ、６０…直流負荷切離手段、６１…交流負荷選択手段、１００…燃料電池発電システム、１０１…コントローラ用電源、１０２…制御部、１０３、１０４…ダイオード、１０６…コンデンサ、１０７、１０８…分圧用抵抗、６０１．６０２…直流負荷切離スイッチ、６１１、６１２…交流負荷選択スイッチ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2007066724.tif 000009
【図８】
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【図９】
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